RU2231202C1 - Electric motor - Google Patents
Electric motor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2231202C1 RU2231202C1 RU2002128888/09A RU2002128888A RU2231202C1 RU 2231202 C1 RU2231202 C1 RU 2231202C1 RU 2002128888/09 A RU2002128888/09 A RU 2002128888/09A RU 2002128888 A RU2002128888 A RU 2002128888A RU 2231202 C1 RU2231202 C1 RU 2231202C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- stator
- rotor
- teeth
- position sensors
- rotor position
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
- Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве источника энергии для электропривода.The invention relates to electrical engineering and can be used as an energy source for an electric drive.
Известен электродвигатель, встроенный в колесо транспортного средства, содержащий статор с магнитопроводом, жестко закрепленный на оси, на который с возможностью вращения относительно статора установлен ротор, также снабженный магнитопроводом, электромагниты, установленные на роторе, постоянные магниты, установленные на статоре, и средство перекоммутации питания электромагнитов, выполненное в виде распределительного коллектора, а также средства токосъема в виде щеток, контактирующих с пластинами коллектора (патент СССР № 1725780, МПК6 Н 02 К 23/00, 1989).Known electric motor, built into the vehicle’s wheel, containing a stator with a magnetic circuit, rigidly mounted on an axis on which a rotor is mounted with a possibility of rotation relative to the stator, also equipped with a magnetic circuit, electromagnets mounted on the rotor, permanent magnets mounted on the stator, and means for switching power electromagnets, made in the form of a distribution collector, as well as current collection means in the form of brushes in contact with the collector plates (USSR patent No. 1725780, IPC6 N 02 K 23/00, 1989).
Основным недостатком указанной конструкции является то, что наличие коллектора усложняет конструкцию двигателя, уменьшает его ресурс и надежность.The main disadvantage of this design is that the presence of a collector complicates the design of the engine, reduces its resource and reliability.
Наиболее близким решением является электродвигатель, содержащий статор с электромагнитами, закрепленный на оси, и ротор с постоянными магнитами с чередующейся полярностью, имеющий возможность вращения относительно этой оси. Электромагниты установлены напротив постоянных магнитов, по крайней мере, двумя группами таким образом, что в каждой группе угловое рассогласование между осями двух электромагнитов кратно угловому расстоянию между постоянными магнитами. Группы смещены относительно друг друга таким образом, что, когда оси электромагнитов одной группы совпадают с осями противолежащих постоянных магнитов, оси электромагнитов других групп не совпадают. На статоре установлен датчик угла поворота ротора, выполненный в виде электромагнита, а на роторе установлены зонды в виде стержней из ферромагнитного материала. Датчик угла поворота ротора соединен со средствами перекоммутации питания электромагнитов, выполненными в виде электронного инвертора (патент РФ №2153757, МПК7 Н 02 К 29/06, 1997).The closest solution is an electric motor containing a stator with electromagnets mounted on an axis, and a rotor with permanent magnets with alternating polarity, which can rotate about this axis. Electromagnets are installed opposite the permanent magnets in at least two groups so that in each group the angular mismatch between the axes of the two electromagnets is a multiple of the angular distance between the permanent magnets. The groups are offset relative to each other so that when the axes of the electromagnets of one group coincide with the axes of the opposite permanent magnets, the axes of the electromagnets of the other groups do not coincide. On the stator, a rotor angle sensor is installed, made in the form of an electromagnet, and probes in the form of rods of ferromagnetic material are installed on the rotor. The rotor angle sensor is connected to the means of switching over the power of the electromagnets, made in the form of an electronic inverter (RF patent No. 2153757, MPK7 N 02 K 29/06, 1997).
Однако смещение групп электромагнитов, являющихся по существу зубцами статора двигателя, на угол, меньший полюсного деления, ведет к несимметрии конструкции статора, неполному использованию его объема и материала и, как следствие, ухудшает энергетические показатели, усложняет технологию изготовления. Кроме того, в двигателе-прототипе угловой размер полюсов, сформированных электромагнитом и постоянным магнитом, одинаковые, следовательно, границу между полюсами одновременно проходят все зубцы и реактивные моменты от взаимодействия каждого полюса электромагнита и постоянного магнита суммируются, что ведет к возникновению большого суммарного реактивного момента двигателя и неравномерности его вращения. Применение постоянных магнитов высоких удельных энергий в виде отдельных кусков для возбуждения ротора приводит к необходимости их установки на индуктор в намагниченном состоянии, что технологически достаточно сложно. Наличие дополнительного электромагнита и ферромагнитных зондов для получения информации об угле поворота ротора усложняют конструкцию электродвигателя. При размещении электронного коммутирующего устройства вне двигателя от него приходится подводить токоподводы к силовым обмоткам и датчику положения ротора. При числе фаз три и более число токоподводов оказывается большим. При обращенной конструкции двигателя, рассматриваемой в прототипе, они должны быть проведены чрез ось, что уменьшает ее прочность и требует увеличения диаметра.However, the shift of the groups of electromagnets, which are essentially the teeth of the stator of the motor, by an angle smaller than the pole division, leads to an asymmetry of the stator structure, the incomplete use of its volume and material and, as a result, worsens energy performance, complicates the manufacturing technology. In addition, in the prototype engine, the angular size of the poles formed by the electromagnet and the permanent magnet are the same, therefore, the boundary between the poles simultaneously passes all the teeth and reactive moments from the interaction of each pole of the electromagnet and the permanent magnet are summed up, which leads to a large total reactive moment of the motor and the unevenness of its rotation. The use of permanent magnets of high specific energies in the form of separate pieces for excitation of the rotor leads to the need for their installation on the inductor in a magnetized state, which is technologically quite difficult. The presence of an additional electromagnet and ferromagnetic probes to obtain information about the angle of rotation of the rotor complicate the design of the electric motor. When placing the electronic switching device outside the engine, it is necessary to supply current leads to the power windings and the rotor position sensor from it. With the number of phases three or more, the number of current leads is large. With the reversed engine design, considered in the prototype, they must be drawn through the axis, which reduces its strength and requires an increase in diameter.
Задачей, на которую направлено настоящее изобретение, является повышение энергетических показателей двигателя и упрощение конструкции.The objective of the present invention is to increase the energy performance of the engine and simplify the design.
Поставленная задача решается тем, что в электродвигателе, содержащем жестко закрепленный на оси зубчатый статор, ротор, имеющий возможность вращения относительно этой оси, и размещенный по его периферии магнитопровод, жестко связанные со статором датчики положения ротора, число которых равно числу фаз двигателя, а также электронное коммутирующее устройство, вход которого связан с выходами датчиков положения ротора, согласно изобретению зубцы статора равномерно распределены по его окружности, их количество кратно удвоенному числу фаз двигателя, а на каждом зубце намотана обмотка, на поверхности магнитопровода, обращенной к статору нанесен сплошной слой магнитного материала из магнитопласта, на котором сформированы магнитные полюса с чередующейся полярностью намагничения и количеством, отличным от количества зубцов статора на два, при этом датчики положения ротора выполнены на основе гальваномагнитного элемента и закреплены в воздушном зазоре между статором и ротором, а электронное коммутирующее устройство установлено на статоре.The problem is solved in that in an electric motor containing a gear stator rigidly fixed to the axis, a rotor that can rotate about this axis and a magnetic circuit arranged around its periphery, rotor position sensors rigidly connected to the stator, the number of which is equal to the number of motor phases, and an electronic switching device, the input of which is connected to the outputs of the rotor position sensors, according to the invention, the stator teeth are evenly distributed around its circumference, their number is a multiple of twice the number of phases drive, and on each tooth a winding is wound, on the surface of the magnetic circuit facing the stator a continuous layer of magnetic material is made of magnetoplast, on which magnetic poles are formed with alternating magnetization polarity and a number different from the number of stator teeth by two, while the rotor position sensors are made based on a galvanomagnetic element and are fixed in the air gap between the stator and the rotor, and the electronic switching device is mounted on the stator.
Датчики положения ротора могут быть закреплены в воздушном зазоре между зубцами статора или между зубцами статора и магнитным материалом магнитопровода.The rotor position sensors can be fixed in the air gap between the teeth of the stator or between the teeth of the stator and the magnetic material of the magnetic circuit.
Равномерное расположение зубцов статора по окружности с числом зубцов, кратным удвоенному числу фаз, позволяет выполнить конструкцию статора симметричной и осуществлять полное использование обмотки, когда в каждый момент времени ток может протекать по обмоткам всех зубцов. Изготовление ротора с числом полюсов (2р), на два меньшим или большим, чем число зубцов статора (Z), позволяет, во-первых, обеспечить в двигателе электрическую редукцию, когда частота вращения ротора оказывается в k раз ниже частоты вращения поля статора, где k определяется по выражениюThe uniform arrangement of the stator teeth in a circle with the number of teeth that is a multiple of twice the number of phases allows the design of the stator to be symmetrical and to make full use of the winding, when at any time the current can flow through the windings of all the teeth. The manufacture of a rotor with the number of poles (2p), two less or more than the number of stator teeth (Z), allows, firstly, to ensure electrical reduction in the engine when the rotor speed is k times lower than the frequency of rotation of the stator field, where k is determined by the expression
k=(Z-2p)/2p.k = (Z-2p) / 2p.
Это обстоятельство очень важно для низкооборотного привода транспортных средств. Во-вторых, неравенство числа Z и 2р позволяет существенно уменьшить реактивный момент в двигателе по сравнению с прототипом, так как здесь через границу между полюсами одновременно проходит только одна пара зубцов.This circumstance is very important for low-speed drive vehicles. Secondly, the inequality of the numbers Z and 2p can significantly reduce the reactive moment in the engine compared to the prototype, since here only one pair of teeth passes through the boundary between the poles.
Нанесение на магнитопровод ротора сплошного слоя из магнитопласта позволяет сформировать нужное количество полюсов на роторе с помощью технологического индуктора, что существенно упрощает технологию изготовления ротора, так как не требует закрепления намагниченных полюсов при сборке ротора.Application of a continuous layer of magnetoplastic onto the rotor core of the rotor allows the desired number of poles to be formed on the rotor using a technological inductor, which greatly simplifies the technology of manufacturing the rotor, since it does not require magnetized poles to be fixed during rotor assembly.
Использование в качестве датчика положения ротора гальваномагнитного элемента, например, датчика Холла, позволяет упростить конструкцию двигателя, так как из-за малых габаритов датчик Холла довольно просто устанавливается между зубцами или в специальное углубление в зубце и одновременно с этим отпадает необходимость в сигнальном элементе датчика (в прототипе это ферромагнитный зонд), так как датчик Холла реагирует на поток, создаваемый рабочими магнитами.The use of a galvanomagnetic element as a rotor position sensor, for example, a Hall sensor, makes it possible to simplify the design of the engine, since due to its small dimensions, the Hall sensor is quite simply installed between the teeth or in a special recess in the tooth and at the same time there is no need for a sensor signal element ( in the prototype, this is a ferromagnetic probe), since the Hall sensor responds to the flow created by the working magnets.
Установка электронного коммутирующего устройства внутри двигателя на ступице статора позволяет резко уменьшить число внешних токоподводов к двигателю. Действительно, в этом случае к электронному коммутирующему устройству независимо от числа фаз через ось двигателя должно быть подано только силовое питание - два токоподвода, и два токоподвода управляющих сигналов - регулирование скорости (момента) и реверс. Тогда как в двигателе- прототипе минимальное требуемое число токоподводов для трехфазного двигателя составит девять.Installing an electronic switching device inside the motor on the stator hub can dramatically reduce the number of external current leads to the motor. Indeed, in this case, irrespective of the number of phases, only the power supply must be supplied to the electronic switching device through the motor axis — two current leads, and two current leads of the control signals — speed (torque) regulation and reverse. Whereas in the prototype engine, the minimum required number of current leads for a three-phase motor is nine.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен электродвигатель, вид сбоку; на фиг.2 - то же, разрез А-А; на фиг.3 - функциональная схема электронного коммутирующего устройства.The invention is illustrated by drawings, where in Fig.1 shows an electric motor, side view; figure 2 is the same, a section aa; figure 3 is a functional diagram of an electronic switching device.
Электродвигатель содержит зубчатый статор 1 с числом зубцов 2, кратным удвоенному числу фаз двигателя, жестко закрепленный на оси 3. На этой же оси 3 установлен ротор 4, имеющий возможность вращения относительно этой оси. В воздушном зазоре между статором и ротором, между зубцами 2 статора 1 установлены датчики 5 положения ротора 4, выполненные на основе гальваномагнитного элемента, например датчика Холла, а на ступице статора 1 крепится электронное коммутирующее устройство 6. На каждом зубце 2 статора 1 намотана обмотка, а по периферии ротора имеется магнитопровод 7, на который нанесен слой магнитного материала из магнитопласта 8, из которого до сборки двигателя сформировано четное количество магнитных полюсов ротора с чередующейся полярностью, число которых на два меньше числа зубцов статора 1. Выходы датчиков 5 положения ротора 4 связаны со входом электронного коммутирующего устройства 6. Кроме того, датчики 5 могут быть установлены в воздушном зазоре между зубцами 2 статора и магнитным материалом 8 магнитопровода.The electric motor contains a gear stator 1 with the number of
Окружность статора 1 разделена на фазные зоны. На каждую фазную зону приходится число зубцов Zф=Z/m, где Z- общее число зубцов на статоре, m- число фаз. Фазная зона в свою очередь разделена на две одинаковые группы зубцов, сдвинутых на 180 геометрических градусов. Обмотки на зубцах в каждой фазе могут быть соединены последовательно или параллельно с противоположным направлением потока в соседних зубцах. Направление потока в зубцах, сдвинутых на 180 геом. градусов, также должно быть противоположным. Фазные обмотки могут быть соединены по разомкнутой схеме (звезда), замкнутой (треугольник или многоугольник), или каждая фаза может питаться от собственного инвертора.The circumference of the stator 1 is divided into phase zones. For each phase zone, the number of teeth Z f = Z / m, where Z is the total number of teeth on the stator, m is the number of phases. The phase zone, in turn, is divided into two identical groups of teeth shifted by 180 geometric degrees. The windings on the teeth in each phase can be connected in series or in parallel with the opposite direction of flow in adjacent teeth. The direction of flow in the teeth shifted by 180 geomes. degrees should also be the opposite. Phase windings can be connected in an open circuit (star), closed (triangle or polygon), or each phase can be powered by its own inverter.
Электронное коммутирующее устройство 6 содержит m-фазный инвертор напряжения 9 и управляющее устройство 10, которое по сигналам с датчиков 5 положения ротора (x1, x2, x3 - фиг.3) формирует импульсы управления ключами инвертора 9 (y1, y2, y3, y4, y5, y6 - фиг.3) и может быть выполнено на стандартных микросхемах.The
Работу двигателя поясним на примере трехфазного двигателя с числом зубцов Z=12 и числом полюсов 2р=10 (фиг.1). Фазные обмотки намотаны на зубцах с соответствующими обозначениями (а, в, с). Датчики 5 положения ротора 4 сдвинуты по расточке статора на 120 геометрических градусов. Условимся, что, если датчик положения находится под северным полюсом, с его выхода поступает единичный сигнал, а если под южным, то нулевой. Предположим, что первоначальное положение ротора относительно статора соответствует изображенному на фиг.1 и ротор вращается против часовой стрелки, т.е. в рассматриваемом случае датчик Д1 только что перешел с северного полюса на южный. На его выходе установился нулевой сигнал Д1 - 0, а на других датчиках имеем Д2 - 0, Д3 - 1. Схема управляющего устройства 10 построена таким образом, что при такой комбинации сигналов на выходе датчиков положения ротора 5, путем соответствующего подключения фазных обмоток с помощью инвертора напряжения 9 к источнику постоянного тока, на зубцах статора Z2, Z4, Z9 и Z11 сформировался южный полюс, а на зубцах Z3, Z5, Z8 и Z10 - северный. Перечисленные зубцы соответствуют фазам “а” и “в”. Обмотка фазы “с”, намотанная на оставшихся зубцах, оказалась обесточенной. В результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора возникает электромагнитный момент, стремящийся повернуть ротор против часовой стрелки. Нетрудно заметить, что после поворота ротора на угол Δ=360/(kNk)=12°, где kNk=2m=6 - количество переключении фазной обмотки при перемещении ротора на 360 электрических градусов или тактность коммутации [1], граница между полюсами ротора пройдет под датчиком Д2. В результате на его выходе изменится сигнал и может иметь место комбинация сигналов на выходе датчиков: Д1 - 0, Д2 - 1, Д3 - 1. Этой комбинации сигналов будет соответствовать такое подключение фазных обмоток двигателя, при котором на зубцах Z5, z7, Z10 и Z12 сформируется северный полюс, а на зубцах Z1, Z4, Z6, Z11 - южный полюс. В результате взаимодействия между магнитными полюсами ротора и статора сохранится момент, поворачивающий ротор против часовой стрелки. Аналогичное переключение происходит после поворота ротора на следующие 12 геометрических градусов, в результате которого вектор поля дискретно перемещается на угол 60 электрических градусов, т.е. в двигателе осуществляется шеститактная коммутация [1]. Можно выбрать алгоритм коммутации обмотки двигателя и таким, что на каждом такте к источнику питания будут подключены все три фазы [1]. При этом, если число зубцов статора окажется не кратным четырем, датчики Холла устанавливают по центру зубцов 2 в воздушном зазоре между магнитом и зубцом, например в специально выполненном углублении в зубце (на фиг.1 показано пунктиром).The operation of the engine is illustrated by the example of a three-phase motor with the number of teeth Z = 12 and the number of poles 2p = 10 (Fig. 1). Phase windings are wound on the teeth with the corresponding designations (a, b, c).
В роторе двигателя в процессе изготовления на магнитопровод наносится сплошной слой магнитопласта и затем с помощью технологического индуктора осуществляется формирование магнитных полюсов. Такая технология эффективна при использовании магнитных материалов высоких удельных энергий, например, Fe NdB, так как при существующей технологии изготовления магниты в виде магнитокерамических призм в намагниченном состоянии крепят на магнитопровод. Во-первых, магнитокерамика значительно дороже магнитопласта и, во-вторых, операция крепления, например, приклеивания, намагниченных призм чрезвычайно сложна.In the rotor of the engine during the manufacturing process, a continuous layer of magnetoplast is applied to the magnetic circuit and then, using a technological inductor, magnetic poles are formed. This technology is effective when using magnetic materials of high specific energies, for example, Fe NdB, since with the existing manufacturing technology, magnets in the form of magneto-ceramic prisms in a magnetized state are mounted on a magnetic circuit. Firstly, magnetoceramics are much more expensive than magnetoplastics and, secondly, the operation of fastening, for example, gluing, magnetized prisms is extremely difficult.
Поскольку низкооборотные моментные двигатели, к которым относится и заявляемый двигатель, имеют плоскую конструкцию, т.е. наружный диаметр значительно больше длины, то на ступице статора имеется достаточно места, на которое и устанавливается электронное коммутирующее устройство 6. При этом сама ступица может быть использована как радиатор для силовых ключей коммутирующего устройства. В результате, укорачиваются провода связи коммутирующего устройства 6 с фазными обмотками и датчиками 4 положения ротора, а число внешних токоподводов к двигателю, проходящих внутри оси, независимо от числа фаз двигателя сокращается до четырех (фиг.3): два - ± силовое питание Uп, один - широтно-имульсное регулирование момента x4, один - реверс x5.Since the low-speed torque motors, which include the claimed engine, have a flat design, i.e. Since the outer diameter is much larger than the length, there is enough space on the stator hub where the
Электродвигатель наиболее эффективен для применения в низкооборотном безредукторном приводе транспортных средств, например, в инвалидных колясках, электрокарах и т.п.The electric motor is most effective for use in a low-speed gearless drive of vehicles, for example, in wheelchairs, electric cars, etc.
Источники информацииSources of information
1. С.Г. Воронин. Управляемый электропривод: Конспект лекций. Челябинск, ЧГТУ, 1996. - 4.2.1. S.G. Voronin. Controlled electric drive: Abstract of lectures. Chelyabinsk, ChSTU, 1996. - 4.2.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002128888/09A RU2231202C1 (en) | 2002-10-28 | 2002-10-28 | Electric motor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002128888/09A RU2231202C1 (en) | 2002-10-28 | 2002-10-28 | Electric motor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2002128888A RU2002128888A (en) | 2004-05-20 |
| RU2231202C1 true RU2231202C1 (en) | 2004-06-20 |
Family
ID=32846293
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002128888/09A RU2231202C1 (en) | 2002-10-28 | 2002-10-28 | Electric motor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2231202C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2681302C1 (en) * | 2018-05-29 | 2019-03-06 | Михаил Иванович Лузин | Valve motor with integrated rotor angular position sensors |
-
2002
- 2002-10-28 RU RU2002128888/09A patent/RU2231202C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2681302C1 (en) * | 2018-05-29 | 2019-03-06 | Михаил Иванович Лузин | Valve motor with integrated rotor angular position sensors |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20190356251A1 (en) | Control system for an electric motor/generator | |
| US7432623B2 (en) | Brushless electromechanical machine | |
| KR100905357B1 (en) | Drive circuit of motor, small electric motor, actuator | |
| KR100834226B1 (en) | Motor, drive system thereof, and regenerative drive system thereof | |
| US7148596B2 (en) | Magnetic rotating motor generator | |
| JP5841230B2 (en) | Reluctance motor having electrically excited permanent magnetic switch and electrically excited permanent magnetic switch, and electrically excited method | |
| US7863784B2 (en) | Axial flux permanent magnet machines | |
| JP5151486B2 (en) | Brushless electric machine, device, moving object, and robot | |
| KR20050071703A (en) | Magnetic structure and motor employing said magnetic structure, and driver comprising said motor | |
| CN103348585A (en) | Rotary electric machine driving system | |
| US10781547B2 (en) | Washing machine | |
| EP2510607B1 (en) | Electric machine | |
| CN101286686B (en) | Brushless motor | |
| CN111953164A (en) | Six-suspension-pole internal and external double-rotor type magnetic suspension sheet switch reluctance motor | |
| WO2019125347A1 (en) | Contra-rotating synchronous electro-mechanical converter | |
| RU2231202C1 (en) | Electric motor | |
| JPH03500358A (en) | motor or alternator | |
| JP2006187194A (en) | Motor and its drive system | |
| CN110417223B (en) | Permanent magnet motor magnetic adjustment mechanism and magnetic adjustment method thereof | |
| Saati et al. | A new hybrid brushless dc motor/generator without permanent magnet | |
| CN101404439B (en) | Brushless electric machine | |
| CN1623266A (en) | Electric motor having magnetically isolated stator and rotor groups | |
| RU2231201C1 (en) | Pulsed electric drive for vehicles | |
| TWI481159B (en) | Energy conversion device with eccentric rotor | |
| CN117294097A (en) | Variable double-rotor magnetic regulating motor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20091029 |